SLAC研究人员在开发基于腔的X射线激光技术方面迈出了重要一步
研究人员宣布，在开发下一代技术方面迈出重要一步，使X 射线自由电子激光脉冲更亮、更稳定：他们使用由优质合成金刚石制成的精确对准的镜子来引导 X 射线激光脉冲真空室内的矩形跑道。
此类装置是基于腔的 X 射线自由电子激光器 (CBXFEL) 的核心，科学家们正在设计这种激光器，以使 X 射线激光脉冲更亮、更清洁——更像今天的常规激光束。
直线加速器相干光源主任 Mike Dunne 表示：“基于腔的 X 射线自由电子激光器的成功交付将标志着新一代 X 射线科学的开始，光束性能将实现巨大飞跃。” ( LCLS ) 能源部 SLAC 国家加速器实验室的 X 射线激光器，该工作就是在那里进行的。
“在我们实现这一目标之前，仍有许多挑战需要克服，”他说。“但是第一个集成步骤的演示非常令人鼓舞，表明我们拥有维持高型腔性能所需的方法和工具。”
SLAC 研究团队在《自然光子学》上发表的一篇论文中 描述了他们的工作。 他们说，早期结果非常令人鼓舞，该实验室已经与能源部阿贡国家实验室(该实验室在该主题上的长期合作者)合作，在 LCLS 波荡器隧道中设计和安装下一个更大版本的实验腔体系统。
使 X 射线激光脉冲更像激光
尽管名称如此，X 射线激光脉冲尚未完全像激光一样。它们是通过使加速电子在称为波荡器的磁铁组中摆动而产生的。这迫使它们发出 X 射线，这些 X 射线被形成强大的脉冲，用于在原子尺度上探测物质。在 LCLS 中，脉冲每秒到达 120 次，这一速度 很快就会增加到 每秒 100 万次。
但由于 X 射线激光脉冲的生成方式，它们的强度各不相同，并且包含不可预测的波长组合。这会产生科学家所说的“噪音”，从而扰乱他们对所探测样本的看法。
已经提出引入腔体来克服这个问题，采用传统光学激光器所使用的方法。腔体通过优先选择波峰和波谷彼此对齐的单一波长的光来增加激光的相干性。但是，在普通激光腔中反射光线的镜子不适用于 X 射线激光脉冲 - 您所得到的只是镜子上 X 射线钻过的冒的孔。
使用晶体(以及最近的合成金刚石晶体)作为镜子来平滑并帮助放大腔内的 X 射线脉冲的想法已经存在很长时间了，与 SLAC 科学家一起领导该实验团队的朱帝林说加布里埃尔·马库斯.
“问题是如何生产足够高质量的金刚石镜，以及如何将它们以足够的精度排列以引导 X 射线绕过腔体，”朱说。“理想情况下，在我们的例子中，空腔也适合容纳 LCLS 波荡器的又长又窄的隧道。”
其他挑战 和创新包括找到将 X 射线带出腔体的最佳方法，以便将它们用于实验并在需要时对镜子进行最佳冷却。
类似杠铃的设置
朱说，SLAC 腔体项目大约在五年前开始，当时有一些走廊谈话。这些导致 SLAC 主任获得了实验室指导研究和开发资助，用于在 LCLS 实验室中构建本研究中使用的装置。
“这项实验的独特之处在于其规模之大。它比我见过的任何其他已发表的版本大了近 50 倍。”斯坦福大学研究生、共同设计、实施该实验并分析结果的研究人员之一雷切尔·马格拉夫 (Rachel Margraf) 说道。
“空腔越大，”她说，“对准公差就越严格，科学界一直对能否实现这些公差持怀疑态度。”
实验装置由两个包含腔体组件的方形真空室组成。它们通过两个束管连接，也保持在真空下。从侧面看，整个东西就像一个30英尺长的杠铃。
每个腔室都装有两个金刚石反射镜，每个反射镜都安装在一组四个电机上，这些电机可精确调整其位置和与光束的角度。这些反射镜引导 X 射线脉冲通过束管并从一个反射镜传输到下一个反射镜。
打造完美的钻石镜
合成、选择和塑造钻石镜本身就是一项巨大的努力。
这些钻石是由日本 RIKEN SPring-8 中心 XFEL 部门团队负责人、X 射线研究钻石世界权威 Kenji Tamasaku 与行业合作伙伴合作制备的。
Tamasaku 说，生长足够纯净的钻石晶体以进行 X 射线研究是很棘手的，因为它们必须在高温和高压下生长，其中最轻微的条件变化都会破坏晶体的生长。
该团队首先使用 SPring-8 的 X 射线显微镜和 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL) 仔细检查每个晶体，并挑选晶体结构中缺陷最少的晶体。然后他们确定了这些晶体中没有缺陷的区域，可以加工成镜子。
“天然钻石的质量无法与本研究中使用的钻石相媲美，”Tamasaku 说。
用激光切割近乎完美的钻石晶体，首先切割成平板，然后切割成大约五分之一英寸长的 S 形状，并抛光至高光泽，这一工艺首先由阿贡国家实验室的专家开发。镜子带有标签，可以将其夹在实验设备上，而不会给镜子本身带来压力。
成功的结果
该实验的目的是了解 X 射线激光脉冲在腔内循环的时间和效率。LCLS 激光脉冲通过斯坦福大学校园制作的精密金刚石光栅以每秒 120 次的速度进入装置。它们依次撞击每个镜子，最多完成 60 圈(每圈约 46 英尺长)，然后消散。研究人员表示，腔体设置内的往返旅行效率超过 96%，接近理论反射镜性能极限，足以支持高质量的 X 射线激光束。
最终的目标是在空腔中存储和循环 X 射线脉冲，然后将它们发送通过波荡器，以伴随电子束穿过磁铁。Zhu说，重复这个循环10到100次应该会产生像今天的光学激光束一样相干和稳定的X射线激光束。随着LCLS 升级的完成，这将成为可能， LCLS 升级 大大提高了 X 射线激光脉冲的能量和重复率。“我们非常高兴能够与阿贡国家实验室和日本理化学研究所的同事合作，朝着这一目标又迈进了一步，”朱说。
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